항공공학의 근본 원칙이 뒤집혔다

distributed micro-roughness(DMR) 는 매끄러운 표면이 항력을 줄인다는 80년 넘은 원칙과 달리, 미세한 무작위 거칠기로 난류 전이를 늦춤

Tohoku University 연구팀은 1m magnetic support balance system으로 지지대 간섭 없이 DMR 표면을 측정해 항력을 최대 43.6% 줄일 수 있음을 입증함

실험용 DMR은 38~53마이크로미터 유리 구슬의 볼록 패턴과 샌드블라스팅 오목 패턴이며, 높이는 경계층 두께의 1%에 불과함

DMR 적용 모델은 임계 Reynolds 수가 약 1.9×10⁶에서 2.2×10⁶로 올라갔고, 3.6×10⁶까지 매끄러운 표면보다 낮은 항력계수를 보임

DMR은 골프공 딤플이나 상어 피부 리블렛과 달리 압력저항보다 벽면 마찰을 줄이며, 흐름 방향 의존성·전력·구동부가 없는 수동 기술임

공기저항 저감 원리의 전환

고속 항공기, 자동차, 고속열차에서 공기저항은 더 높은 속도와 낮은 에너지 소비를 가로막는 주요 장벽임

물체가 고속으로 움직이면 표면에 얇은 공기층인 경계층이 생기고, 이 경계층은 질서 있는 층류 또는 혼란스러운 난류 상태가 됨

마찰이 낮은 층류가 오래 유지될수록 공기저항은 작아지지만, 속도가 높아지면 흐름은 난류로 전이됨

80년 넘게 이어진 매끄러운 표면 원칙

항공공학에서는 80년 넘게 공기저항을 줄이려면 표면이 매끄러워야 한다는 원칙이 받아들여져 왔음

이 전제는 일본 과학자 Ichiro Tani가 1940년에 수행한 연구에 기반함

Tani는 표면 거칠기와 난류 전이의 관계를 다룸

당시 제조 기술에서 피하기 어려운 표면 거칠기가 층류 구현을 방해한다고 봄

1989년 Tani는 1930년대 유체공학자 Johann Nikulase가 거친 표면 파이프에서 얻은 실험 데이터를 재해석함

거칠기가 항상 난류 전이를 촉진하고 유체저항을 늘리는 것은 아닐 가능성이 드러남

Tohoku University의 Yasuaki Kohama 연구팀은 1990년대에 미세한 섬유형 요철 표면이 특정 조건에서 전이를 늦출 수 있음을 보임

분산 미세 거칠기(DMR)의 실험적 입증

Tohoku University Institute of Fluid Science의 Aiko Yakino 부교수 연구팀은 육안으로 구분하기 어려울 만큼 작고 불규칙한 표면 거칠기인 distributed micro-roughness(DMR) 만으로 공기저항을 최대 43.6% 줄일 수 있음을 입증함

DMR은 기존 공기저항 저감 기술인 리블렛, 즉 “상어 피부” 처리와 작동 방식이 다름

리블렛은 상어 피부의 미세한 세로 홈을 모방함

공기 흐름 방향을 따라 약 0.1mm 폭의 홈을 파서 난류 영역의 벽면 근처 소용돌이를 정렬함

DMR은 무작위적이고 미세한 요철로 층류에서 난류로 넘어가는 전이를 늦춤

두 방식은 영향을 주는 유동 영역과 작동 메커니즘이 다름

지지대 없는 풍동 측정

기존 풍동 실험은 모델을 지지하는 막대와 와이어가 공기 흐름을 교란한다는 한계가 있었음

마이크로 스케일 표면 거칠기가 만드는 미세한 항력 변화를 지지 구조물이 가릴 수 있었음

Tohoku University Institute of Fluid Science의 1m magnetic support balance system(1m-MSBS) 은 이 문제를 줄임

전자기력으로 길이 약 1.07m의 유선형 모델을 풍동 안에서 비접촉으로 부상시킴

지지대나 다른 지지 수단 없이 모델 주변 공기 흐름 간섭을 제거함

연구팀은 매끄러운 표면과 DMR 코팅 표면의 전체 항력계수를 Reynolds 수 0.35×10⁶~3.6×10⁶ 범위에서 측정함

경쟁 요트나 포일 레이싱을 해본 사람은 수중 표면이 1000~1500방 사포로 곱게 샌딩됐을 때 마찰이 가장 낮고 층류 흐름도 좋다는 걸 알고 있음
공기에서는 이게 아니고 비행기 날개는 광택이 최고라고 해서 늘 이상했는데, 이제 보니 익형도 최저 마찰을 위해 미세 거칠기의 이점을 받는 듯함
이렇게 단순한 사실이 연구도 많고 자금도 많은 분야에서 어떻게 알려지지 않았는지가 놀랍고, 아마 논문 쓰는 연구자들만 몰랐던 것 같음

논문의 핵심은 거칠기가 전체 흐름 중 아주 작은 영역인 천이 구간에서 항력을 줄인다는 것임
이 구간은 층류와 난류 사이이며, 층류는 보통 난류보다 항력이 5배 낮고 레이놀즈 수 50만100만 정도에서 나타남
서프보드는 레이놀즈 수가 10^7이라 완전히 난류이고, Cessna 항공기는 15x10^6 정도임

이런 것들은 늘 새롭고 혁명적인 것처럼 포장되지만 실제로는 그렇지 않은 경우가 많음
다만 구체적인 공정과 구현은 더 새롭거나 이전과 조금 다를 수 있음
반복적 개선이나 때로는 복제까지 혁명으로 설명하는 선정적인 사회에 살고 있음
737이 연료를 40% 덜 쓰는 걸 보여달라면 그런 일은 없겠지만, 항공기 외피를 만드는 공정은 조금 더 좋아질 수 있음
동체를 매주 다시 샌딩할 수는 없고, 정비 없이 안정적으로 작동해야 한다는 점도 중요함

물은 꽤 점성이 크고, 너무 빠르게 끌고 가면 공동현상 때문에 체제가 완전히 바뀜
RC 글라이더 공기역학을 공부하던 시절 기준으로 보면, 공기는 비행기 크기와 속도에 따라 레이놀즈 수로 표현되는 “점성” 범위가 더 넓음
골프공, RC 비행기, 상업용 제트기, 전투기마다 이상적인 공기역학이나 유용한 기법(윙렛, 딤플)이 꽤 달라질 수 있음

항공사들이 샌딩되거나 거친 날개를 얼마나 빨리 도입할지 궁금함 윙렛 효율도 오래전부터 알려져 있었지만, 거의 모든 여객기에 적용된 건 비교적 최근이라는 점도 흥미로움

상어 피부 포일은 예전부터 있던 걸로 알고 있었음
상어 피부의 미세한 거칠기를 모방하려던 시도였음

“표면이 매끄러울수록 공기역학적 항력이 낮다”는 게 오래 받아들여졌는데, 항상 그런 건 아니라니 의외임 골프공 딤플이 항력을 줄인다고 늘 들어왔음

기사에 따르면 이 원리는 골프공 딤플 효과와 근본적으로 다름
딤플은 공기 흐름을 의도적으로 난류화하고 후방 박리를 억제해서 압력 저항을 줄이지만, DMR은 천이를 지연시켜 압력 저항이 아니라 벽면 마찰 자체를 억제함
둘은 반대 메커니즘임

기사에서는 이 현상이 골프공 딤플과 매우 다르며, 심지어 서로 반대라고까지 분명히 말함

나도 그렇게 알고 있었음
다만 상대적인 비율로 얼마나 차이 나는지는 궁금함
어떤 개선은 노력할 가치가 있지만, 20% 이상이면 납득 가능하고, 모두가 딤플 골프공을 쓴다면 그건 사고실험일 뿐임
그렇다면 탁구공은 왜 딤플이 없을까?

자동차에서도 와류 발생기가 흔해졌고, Honda Civic에 붙일 수 있는 애프터마켓 부품으로까지 내려왔음
와류는 큰 공기 주머니를 쪼개서 항력을 줄임

물체 형태에 따라 다르다고 읽은 적이 있음
공처럼 둥근 표면은 딤플 이점을 얻지만, 화살처럼 더 곧은 표면은 그렇지 않을 수 있음
정확히는 모르지만 속도도 영향을 줄 것 같음

아마 내 광고 차단기가 “구독해서 읽기” 기능과 충돌한 것 같지만, 실패 방식이 웃겼음

그다음은 댓글과 다른 기사 링크뿐이고, 오디오 녹음 말고도 기사 본문이 더 있다는 표시가 전혀 없음
이런 게 “기사를 안 읽은” 댓글 일부를 설명해줄 수도 있음. 물론 원래도 그런 일은 생기지만

페이지 검사 창을 열어둔 상태에서 재빨리 재생 버튼을 누르면, 페이지 로드 직후 잠깐 “Listen”이라고 뜰 때 네트워크 탭에서 오디오 링크를 얻을 수 있음

나도 같은 일이 있었지만 Firefox의 읽기 모드로 여니 괜찮았음

나도 똑같았음
차라리 아카이브 링크 같은 게 있으면 좋겠음
요즘 일부 웹사이트는 좀 공격적임

이 부분은 실수이거나 그 자체로 하나의 긴 이야기처럼 느껴짐
1940년에 일본 과학자 Ichiro Tani가 표면 거칠기와 난류 천이의 관계를 보였고, 당시 제조기술로 피할 수 없던 표면 거칠기가 층류 실현을 막는다고 주장했다는 내용임
그런데 1989년에 Tani가 1930년대 유체공학자 Johann Nikulase의 거친 표면 파이프 실험 데이터를 재해석하면서 “거칠기가 반드시 난류 천이를 촉진하고 유체 저항을 증가시키기만 하는 것은 아닐 수 있다”고 제안했다면, 같은 문제를 49년 동안 다룬 셈임
실제로 그는 1990년에 사망했으니 가능은 함

적용 방식이 샌드블라스팅처럼 단순하다면 기존 항공기에도 개조 적용이 꽤 쉬워 보임
말한 대로 작동한다면 사실상 당일 적용 가능한 무료 연료 효율 개선에 가까움
다만 실제 순개선 수치는 보지 못했음
기사에서 말하는 퍼센트는 “천이 구간”에 한정된 것이고, 계수는 전체적으로 개선된다고 하지만 이론상 전체 익형에서의 개선이 0에 가까우면 거의 무의미할 수 있음
실제 환경에서는 막히거나 더 마모되기 쉬워서, 이런 수준의 정밀한 열화를 일정 기간 유지하기도 매우 어려워 보임

항공에서는 이론이 현실과 꽤 빨리 부딪힘
특정 항공기를 개조하려면 시험이나 인증 전까지 규제 장벽이 많을 가능성이 큼
인증 항공기라면 특히 그렇고, 실험용 항공기 세계에서도 누군가의 날개에 샌드블라스팅을 하는 데는 저항이 있을 수 있음

천이 구간에서 흐름을 붙잡는 메커니즘을 보면, 마찰 감소 이점을 완전히 얻으려면 전체 익형 형상도 바뀌어야 할 가능성이 커 보임
이 기술은 이미 시도되지 않았다면 Formula 1 같은 곳에서 먼저 실험될 가능성이 더 높다고 봄

항공기 도장과 마감은 공기역학 말고도 훨씬 많은 것을 고려해야 함
그 코팅 하나가 일상적인 온도 변동을 10,000회 비행 동안 버티느냐 1,000회 비행만 버티느냐를 가를 수 있으니 처음부터 설계해야 함

시속 600마일 이상으로 날 때의 물리는 시속 60마일일 때와 거친 표면에 다르게 작용함
항공기 날개는 고속과 공기 중 입자, 즉 먼지, 얼음, 화산재, 비/물 때문에 침식을 겪음
이 침식은 이미 상당한 완화가 필요한 문제라서, 표면을 일부러 거칠게 만들면 예상 밖 결과가 생기거나 더 큰 문제가 될 수도 있음
그래도 이 기법은 시험해볼 만하다고 봄

흥미로운 발견이지만 근본 원리를 뒤집은 건 아님
유체역학 강의에서는 형상 항력, 기사 표현으로는 압력 항력과 표면 마찰 항력이 있다고 배웠음
둘은 레이놀즈 수에 따라 서로 상충함
흐름을 층류로 유지하면 표면 마찰 항력이 줄어 매끄러운 표면이 유리해 보이지만, 흐름을 더 오래 붙잡아두면 난류 유도나 공기 주입 같은 방식으로 형상 항력을 줄일 수 있고 대신 난류 때문에 표면 마찰은 늘어남
이 연구는 층류를 유지하면서 흐름 박리를 늦추는 괜찮은 방법을 찾은 것처럼 읽히지만, 기본 원리는 바뀌지 않았음
“매끄러우면 항력이 낮다”는 건 규칙이 아니었고 특정 스케일에서만 맞음